CN106988904A - 氧传感器元件变黑检测 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了氧传感器元件变黑检测。本发明总体涉及用于检测氧传感器中热老化和变黑的方法和系统。根据在加载交流电压之后氧传感器的加压室和能斯特室的每个的监测到的阻抗变化，可以区分热老化和变黑效应。响应于氧传感器中热老化和/或变黑的检测，可以采取纠正措施以确保使用传感器进行准确的氧估计。

Description

氧传感器元件变黑检测
技术领域
本发明总体涉及用于检测氧传感器中的热老化(thermal aging)和/或变黑(blackening)的方法和系统。
背景技术
进气传感器和/或排气传感器可以被操作以提供各种进气成分和排气成分的指示。例如，通用排气氧传感器(UEGO)的输出可以被用于确定排气的空燃比(AFR)。同样地，氧传感器可以被设置在发动机进气道中来确定进气的湿度或被再循环到进气的排气的组分。进气含氧量和排气含氧量的指示可以被用于调节各种发动机运转参数，诸如燃料加注。作为一个示例，根据排气AFR可以反馈控制对汽缸加注燃料以获得目标燃烧AFR，该目标燃烧AFR使排气排放控制装置的运转效率最大化。因此，氧传感器的测量准确度可以受氧传感器中的元件劣化的严重影响，例如，受由传感器元件变黑或热老化的严重影响。氧传感器元件变黑是一种劣化形式，这种劣化形式可能由于使用高电压和/或可变电压而发生，并且还可由于低氧和水条件而发生。热老化是另一种劣化形式，这种劣化形式可由于传感器在一段时间周期连续运转而发生。
各种方法已经被使用来检测氧传感器劣化，尤其是涉及变黑和热老化的劣化。在由Verdier等人在US20120167656A1中示出的一个示例方法中，可以将电压加载到被连接到加压室(pump cell)(在使用双室传感器的情况下)传感器的电极的端子或者加载到被连接到排气传感器的组合的加压室和测量室(在使用单室传感器的情况下)的电极的端子上，并且随后监测流过所述室的加压电流(pumping current)。在不同的时间点，可以将同量级的电压加载到该端子上并且估算出加压电流的差值。如果该加压电流差值大于阈值，则可以推测出由于室电极的至少一个变黑导致了氧传感器劣化。
本文作者意识到上述方法可能存在的问题。作为一个示例，在两个不同的时间点加载电压之后，加压电流的变化可以由于热老化或元件变黑而发生。因此，在Verdier等人的方法中，不可能区分出传感器的热老化和传感器元件变黑。根据热老化和/或元件变黑的发生，需要针对使用该传感器进行的未来的氧估计采取不同的纠正措施。通过将不恰当的纠正措施应用到UEGO传感器，传感器劣化可以被加速并且使用传感器得到的氧估计的准确度可以降低，由此影响发动机性能。
发明内容
本文作者已经提出一种方法，通过这种方法可以至少部分解决上述问题。用于车辆发动机的一种示例方法，其包括在加载电压之后通过监测的氧传感器的加压室(pumpcell)和能斯特室(Nemst cell)的每个的阻抗的变化来区分氧传感器的热老化和变黑。以此方式，氧传感器变黑能够被更容易地识别且被迅速地处理。
作为一个示例，氧传感器的加压室和能斯特室的每个的阻抗可以被监测并且用于检测和区分传感器热老化和传感器元件变黑。在随着时间多次使用之后，在氧传感器中可能发生热老化(也被称为去晶粒效应(de-graining effect))。由于存在于加压室的电极中的材料的变化(例如，氧化锆(ZrO2)变为锆(Zr))，可以发生变黑。在传感器的电极上可以观察到暗色的累积(例如，金属锆Zr的累积)，这可以被称为变黑。交流电(AC)电压可以伺机地(opportunistically)或周期性地加载到氧传感器的加压室和能斯特室中的每个并且通过测量各自加压电流以生成频率扫描可以估计这些室的对应的阻抗。经过一段时间加压室和能斯特室的每个的阻抗可能由于发热而降低。根据阻抗随着时间的变化可以检测热老化。然而，在一段时间之后和在多次使用之后，由热老化导致的阻抗变化(在加压室和能斯特室中都可观察到)可以稳定。对每个室进一步加载电压不可以显示出阻抗的任何进一步的降低。如果在加压室的电极中存在变黑，那么在热老化稳定之后，则进一步加载更高峰值电压的AC电压可以显示加压室阻抗的显著变化。从观察到的加压室阻抗相对于加压室阻抗的前次测量(诸如在上次扫描期间)的变化量可以估计变黑的程度。另外，当对能斯特室加载相同的AC电压时，阻抗没有任何进一步的变化，这进一步确认在加压室中观察到的电阻的变化是由于变黑造成的而不是由于任何进一步的热老化。在热老化的检测之后，在使用传感器进行氧估计期间使用的补偿因子可以被更新。相比之下，在检测传感器变黑时，在未来的氧估计期间，可以使用较低的目标电压(参考电压)和用于参考电压加载的保守变化率(ramp rate)。并且，诊断码(标记)可以被设定来通知使用者劣化。
以此方式，加压室和能斯特室的每个中的阻抗随时间的变化可以被用于区分氧传感器中的热老化效应和元件变黑。在加载交流电压之后，通过主动监测加压室和能斯特室的每个随时间的阻抗，可能检测出具有更高确定性的元件变黑并且更好地区分UEGO传感器劣化的两种形式。区分氧传感器中热老化效应和元件变黑的技术效果在于可以相应地采取适当的纠正措施。通过更新纠正因子来补偿热老化效应，当传感器老化时可以维持氧估计的准确度。相比而言，当检测到元件变黑时，由变黑对传感器造成的进一步的损害可以通过采取预防措施而被限制，诸如在氧估计期间加载较低的目标电压和保守的参考电压变化率。总之，通过有效地检测和区分热老化和元件变黑，氧传感器运转的准确度和稳定性增加，进而能够维持发动机性能。
应当理解，提供以上本发明内容是为了以简化的形式介绍一系列概念，这些概念在具体实施方式中被进一步描述。这并不意味着识别要求保护的主题的关键或必要特征，要求保护的主题的范围由所附权利要求唯一地限定。另外，要求保护的主题不限于解决在上面或在本公开的任何部分中提及的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1示出包括进气氧传感器和排气氧传感器的示例发动机系统。
图2示出示例UEGO传感器的示意图。
图3示出说明可以被实施以检测氧传感器中热老化和元件变黑的一种方法的流程图。
图4示出用于多种频率扫描的加压室阻抗随时间变化的示例曲线。
图5示出用于多种频率扫描的能斯特室阻抗随着时间变化的示例曲线。
图6示出根据加压室阻抗和能斯特室阻抗的变化检测UEGO传感器中的热老化和变黑的示例。
具体实施方式
如下的描述涉及用于氧传感器中的热老化和变黑检测的系统和方法。氧传感器可以被设置在进气道或排气道中，如图1的发动机系统中所示。图2示出可能受热老化和/或变黑影响的氧传感器的示意图。发动机控制器可以被配置为执行控制程序(如图3所示的示例程序)来检测氧传感器中的热老化和元件变黑。图4和图5分别示出对应于多个频率扫描的加压室阻抗和能斯特室阻抗(随着时间)的变化。图6中示出根据加压室和能斯特室的变化检测热老化和元件变黑的示例。
图1是示出发动机系统100中的多缸发动机10的其中一个汽缸的示意图。发动机10可以被包括控制器12的控制系统和经由输入装置130来自车辆操作者132的输入至少部分地控制。在这个示例中，输入装置130包括加速器踏板和用于生成成比例的踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。发动机10的燃烧室(即汽缸)30可包括燃烧室壁32且活塞36置于其中。活塞36可以耦接到曲轴40，从而使得活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。曲轴40可以通过中间变速器系统耦接到车辆的至少一个驱动轮。而且，起动机马达可以通过飞轮耦接到曲轴40以使得发动机10的起动操作可用。
燃烧室30可通过进气道42接收来自进气歧管44的进气并且可以通过排气道48排出燃烧气体。进气歧管44和排气道48可以分别通过进气门52和排气门54与燃烧室30选择性地连通。在一些实施例中，燃烧室30可包括两个或更多个进气门和/或两个或更多个排气门。
在该示例中，进气门52和排气门54可以通过凸轮致动系统51和53由凸轮致动控制。凸轮致动系统51和53中的每一个均可包括一个或更多个凸轮，并且可以利用可由控制器12操作以改变气门操作的凸轮廓线变换(CPS)系统、可变凸轮正时(VCT)系统、可变气门正时(VVT)系统和/或可变气门升程(VVL)系统的一个或更多个。进气门52和排气门54的位置可以分别由位置传感器55和57确定。在可替换的实施例中，进气门52和/或排气门54可以由电子气门致动来控制。例如，燃烧室30可以可替换地包括经由电子气门致动控制的进气门和经由凸轮致动控制的排气门，其中凸轮致动包括CPS和/或VCT系统。
图中所示的燃料喷射器66被示出直接耦接到燃烧室30，用于与经由电子驱动器68从控制器12接收的信号FPW的脉冲宽度成比例地向燃烧室30直接喷射燃料。在这种方式中，燃料喷射器66提供所谓的燃料的直接喷射到燃烧室30。例如，燃料喷射器被安装在燃烧室的侧面或在燃烧室的顶部(如图所示)。燃料可以通过燃料系统(未被示出)传送到燃料喷射器，其中燃料系统包括燃料箱、燃料泵和燃料轨(fuel rail)。在一些实施例中，燃烧室30可以可替换地或附加地包括布置在进气歧管44中的燃料喷射器，在这种配置中，燃料喷射器提供所谓的燃料的进气道喷射进入燃烧室30的进气道上游。
进气道42可包括具有节流板64的节气门62。在此特定实施例中，以通过提供给节气门62所包括的电动马达或致动器的信号由控制器12改变节流板64的位置，这种配置通常被称为电子节气门控制(ETC)。以这种方式，节气门62可以被操作以改变提供给燃烧室30以及其他发动机汽缸的进气。节流板64的位置可以通过节气门位置信号TP提供给控制器12。空气进气道42可以包括进气温度(IAT)传感器125和大气压力(BP)传感器128。IAT传感器125估计待被用于发动机运转的进气温度并且向控制器12提供信号。同样地，BP传感器128估计用于发动机运转的环境压力并且向控制器12提供信号。进气道42可以进一步包括质量空气流量传感器120和歧管气压传感器122用于向控制器12提供相应的信号MAF和MAP。
排气传感器126被显示为耦接到排放控制装置70上游的排气道48。传感器126可以是用于提供排气空燃比(AFR)的指示的任何适当传感器，诸如线性氧传感器或UEGO(通用或宽域排气氧传感器)、双态氧传感器或EGO、HEGO(加热型EGO)、NOx、HC、或CO传感器。在氧传感器的第一操作模式中，排气可以从内燃发动机流入一侧由氧化锆层并且另一侧由陶瓷层形成的第一腔体内，该陶瓷层位于第一腔体和包含参考气体的第二腔体内。第一电压可以被加载到氧化锆层两端以在第一腔体和排气之间泵浦氧离子，并且第二电压可以被加载到陶瓷层两端，并且当第二电压达到阈值时第一电压可以被限制。相反，在氧传感器的第二操作模式中，通过比较氧化锆层的阻抗变化与陶瓷层的阻抗变化，可以检测到氧化锆层的部分分解成锆。UEGO传感器的一个详细实施例参考图2描述。氧传感器可以被用于估计进气和排气的AFR。根据AFR估计，发动机运转参数，例如燃料加注，可以被调节。此外，通过利用排气中的AFR估计，排放控制装置的运转效率可以被提升。为了改进发动机运转，重要的是能够检测氧传感器(多个)的任何劣化。由热老化和元件变黑中的每一个导致的氧传感器劣化的检测的详细方法将参考图3-6讨论。
排放控制装置70被示出沿排气传感器126的下游的排气道48布置。装置70可以是三元催化剂(TWC)、NOx捕集器、各种其他排放控制装置或它们的组合。在一些实施例中，在发动机10的运转期间，通过在特定空燃比内操作发动机的至少一个汽缸，排放控制装置70可以周期性地重置。
另外，排气再循环(EGR)系统140可以将期望的部分排气从排气道48经由EGR通道142传输到进气歧管44。提供到进气歧管44的EGR的量可以通过控制器12经由EGR阀144而改变。另外，EGR传感器146可以被布置在EGR通道142内并且可以提供排气的压力、温度和成分浓度的一个或多个的指示。线性氧传感器172可以被定位在进气节气门下游的进气道内，以便于EGR调节。在一些情况下，EGR系统140可以被用于调节燃烧室内空气和燃料混合物的温度，因此在一些燃烧模式期间提供控制点火正时的方法。另外，在一些情况下，部分燃烧气体可以通过控制排气门正时(诸如通过控制可变气门正时机构)而被保留或捕集在燃烧室中。
在图1中，控制器12被示出为微型计算机，其包括微处理器单元102、输入/输出端口104、用于可执行程序和校准值的电子存储介质(在这个特定示例中其被示出为只读存储器芯片106)、随机存取存储器108、不失效存储器110和数据总线。控制器12可以接收来自耦接到发动机10的各种传感器的信号，除了之前讨论的那些信号之外还包括：来自质量空气流量传感器120的进气质量空气流量(MAF)的测量、来自耦接到冷却套筒114的温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT)、来自耦接到曲轴40的霍尔效应传感器118(或其他类型的传感器)的表面点火感测信号(PIP)、来自节气门位置传感器的节气门位置(TP)；以及来自传感器122的绝对歧管压力信号MAP。发动机转速信号RPM可以通过控制器12从信号PIP生成。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可以被用于提供进气歧管中的真空或压力指示。应注意，上述传感器的各种组合可以被使用，诸如有MAF传感器而没有MAP传感器，或反之亦然。在化学计量的运转期间，MAP传感器能够给出发动机扭矩的指示。另外，这个传感器连同检测的发动机转速能够提供吸入到汽缸内的充气(包括空气)的估计。在一个示例中，传感器118(其也被用作发动机转速传感器)可以在曲轴的每一旋转产生预定数量的等间距脉冲。
存储介质只读存储器106能够被编程有计算机可读数据，所述计算机可读数据表示为执行下面描述的方法以及没有特别列出但可预测的其他变体而可由处理器102执行的非暂时性指令。如上所述，图1示出多缸发动机中的一个汽缸，并且每个汽缸可以类似地包括其各自组的进气/排气门、燃料喷射器、火花塞等。
控制器12接收来自图1的各种传感器的信号，并且根据接收的信号和储存在控制器12的存储器上的指令应用图1的各种致动器来调节发动机运转。在一个示例中，控制器12启动诊断例程来检测存在于氧传感器126和172中的热老化和/或变黑。
图2示出排气氧传感器诸如UEGO传感器200的示例性实施例的示意图，该传感器被配置为测量燃料加注条件期间排气流中氧气(O2)的浓度。在一个示例中，UEGO传感器200是图1的UEGO传感器126的实施例。然而，需要明白的是图2的传感器可以可替换地表示进气氧传感器，诸如图1的传感器172。
传感器200包括以堆叠配置布置的一种或多种陶瓷材料的多个层。在图2的实施例中，五个陶瓷层(元件)被描绘为层201、202、203、204和205。这些层包括能够传导氧离子的一层或多层固态电解质。另外，在一些实施例中，诸如图2所示的，加热器207可以被布置与这些层进行热传递以增加这些层的离子电导率。虽然描绘的UEGO传感器200由五个陶瓷层组成，但是应当明白的是UEGO传感器可以包括其他适合数量的陶瓷层。
适合的固态电解质的示例包括基于氧化锆(也称为二氧化锆ZrO2)的材料。ZrO2的颜色通常是白色。随着使用一段时间之后，这两个氧原子可以从ZrO2移除，将白色的ZrO2改变为暗色的金属锆(Zr)，进而导致相应元件的变黑。变黑发生的主要原因可以包括但不限于：高电压(在过电势区域内)、可变电压条件、低空气和低氧条件。新形成Zr不仅具有离子传导性还具有电子传导性。电子传导性可以与变黑程度成比例地增加。
层202包括多孔材料或生成扩散路径210的材料。扩散路径210被配置为通过扩散将排气引入到第一内部腔体(也被称为气体检测腔体)222。扩散路径210可以被配置为允许排气的一种或多种组分(包括但不限于期望的分析物例如O2)以比分析物能够被泵浦电极对212和214泵浦进或泵浦出更受限制的速率扩散进入内部腔体222。在这种方法中，在第一内部腔体222中可以获得化学计量水平的O2。
传感器200进一步包括在层204内的第二内部腔体224，第二内部腔体224通过层203与第一内部腔体222分隔开。第二内部腔体224被配置为维持恒定的氧分压与化学计量条件相当，例如，在第二内部腔室224中存在的氧水平等于如果空燃比是化学计量时排气将具有的氧水平。通过泵浦电压Vcp，第二内部腔体224中的氧浓度被保持恒定。在此，第二内部腔体224可以被称为参考室(reference cell)。
一对感测电极216和218被布置与第一内部腔体222和参考室224连通。感测电极对216和218检测可由于排气中氧浓度高于或低于化学计量水平而在第一内部腔体222和参考室224之间形成的浓度梯度。高的氧浓度可能由稀进气或排气混合物造成的，而低的氧浓度可能由富混合物造成的。
一对加压电极212和214被布置为与内部腔体222连通，而且被配置以从内部腔体222电化学泵浦选择的气体成分(例如O2)通过层201并且离开传感器200。可替换地，这对加压电极212和214可以被配置以将选择的气体电化学泵浦通过层201并且进入内部腔体222。在此，电解质层201连同加压电极对212和214可以被称为O2加压室。另外，电解质层203连同电极对216和218可以被称为能斯特室(也被称为感应室)。电极212、214、216和218可以由各种适合的材料制成。在一些实施例中，电极212、214、216和218可以至少部分由催化分子态氧分解的材料制成。这种材料的示例包括但不限于包含铂和/或金的电极。
感应室(能斯特室)可以被动得测量第一内部(气体检测)腔体222中的氧浓度。基于来自感应室的反馈，加压室可以调节腔体222中的氧浓度。外部比较器电路可以比较由感应室生成的电压与参考电压Vp。在一个示例中，在正常的操作条件下，参考电压Vp可以是450mV。能斯特室两端生成的电压可以大约是450mV，其中一个电极暴露于空气(具有大约20％的氧浓度)而另一个电极暴露于低氧浓度(～10ppm氧)。这个氧浓度(～10ppm)可以对应于化学计量。如果由于还原剂诸如一氧化碳或氢气，腔体222中的氧浓度低于对应于化学计量的氧浓度(～10ppm)，那么该比较器电路可以发送信号到加压室以从排气泵浦氧进入腔体222。氧将会与还原剂反应，因此提升氧浓度水平直到该水平达到对应于化学计量的氧浓度(～10ppm)，如感应室(能斯特室)测量的。腔体中所有这些还原剂的量确定需要多少氧由加压室泵浦入该腔体以完全反应。加压电流Ip与加压室中的氧浓度成正比。被泵浦的氧的量正好足够与所有还原剂完全反应。传感器可以应用不同的技术来确定还原剂的浓度。在一个示例中，与加压室中的氧浓度成比例的加压电流可以被用于估计还原剂浓度。
如果该腔体中的氧浓度大于对应于化学计量的氧浓度(～10ppm)，那么可以采取相反的方法。感应室可以测量小于参考电压Vp(450mV)的电压，并且比较器电路可以发送信号到加压室以通过以相反的方向加载加压电流Ip来将氧泵浦出腔体。加压电流Ip与被泵浦出室的氧的量成正比，其进而正比于扩散进入腔体222的氧的量。这个氧的量可以与排气中氧的浓度成正比。
如上所述，随着使用，可能在一个或多个电解质中发生变黑。因此，变黑可以不同于热老化。当加压室在运转期间经历较高的电压时，更容易发生变黑。在一个示例中，金属Zr可以在加压室的电极214上累积。通过测量传感器元件两端的电压降，例如通过使用基于AC电压的技术，能够估计传感器元件的阻抗。可以以有规律的时间间隔使用相同的电压(交流的)实施频率扫描(阻抗谱)并且可以使用频率响应分析器(FRA)监测和分析阻抗的相应变化。室内发生的不同的物理化学过程影响电子和离子传输、气相和固相反应物传输、多相反应等。这些过程可以具有不同特性的时间常量并且因此以不同的AC频率展现出来。当在宽的频率范围内实施时，阻抗谱能够被用于识别和量化与这些各种过程相关的阻抗。例如，对于氧传感器200，可以具体地测量能斯特室或加压室两侧的阻抗。由于变黑(Zr累积)，加压室的电子导电性可能增加，因此可以检测到加压室的阻抗降低。然而，随着使用和时间的推移，加压室的晶界电阻可以由于热效应而降低。这种效应可以被称为热老化或去晶粒效应。能斯特室阻抗也可以由于相同的热效应而降低。本发明人已经意识到由热老化造成的阻抗降低在加压室去晶粒之后不可以再继续。一旦热老化稳定，在进一步加载AC电压时，就不会观察到由热老化效应引起的加压室阻抗和能斯特室阻抗中的每个的进一步变化。与加压室相比，由于感应室相对于加热器定位在远侧，所以热老化效应的稳定可以在能斯特室中更早发生。
只要确定热老化过程已经稳定，就有可能检测在加压室的电极214上存在的任何Zr累积。AC电压可以被加载到加压室和能斯特室的每一个并且可以测量传感器元件两端的对应的电压降以估计阻抗变化。如果观察到当加载较高的电压时，在加压室中存在进一步的阻抗降低，那么可以推测在电极214上已经发生了由Zr累积造成的变黑。另一方面，在能斯特室中没有发生变黑。因此，当加载更高的电压时，与上次测量的阻抗(在热老化效应稳定期间估计的)相比，在能斯特室处没有观察到阻抗的变化。一旦热老化效应稳定了，就不会观察到能斯特室中阻抗的变化。因此，当能斯特室的阻抗没有变化时加压室的阻抗发生变化可以与UEGO传感器的变黑有关。
应当明白的是，本文所描述的氧传感器仅是UEGO传感器的示例性实施例，并且进气氧传感器或排气氧传感器的其他实施例可以具有附加的和/或可替换的特征和/或设计。
图1和图2示出具有相对定位的各种组件的氧传感器的示例配置。其中描绘的氧传感器是耦接到进气节气门的下游的进气氧传感器和耦接到排放控制装置的上游的排气氧传感器中的一个。如果被示出彼此直接接触或直接耦接，那么至少在一个示例中这些元件可以分别被称为直接接触或直接耦接。类似地，示出互相邻近或相邻的元件可以在至少一个示例中分别彼此邻近或相邻。作为一个示例，彼此以共面接触放置的组件可以被称为共面接触。作为另一个示例，被定位彼此间隔开且之间只有空间而没有其他组件的元件可以在至少一个示例中被如是称呼。
图3示出了基于AC电压的加载和阻抗的估计以检测UEGO(氧)传感器中热老化和元件变黑的示例方法300。用于实施方法300和本文所包括的其他方法的指令可以基于储存在控制器存储器上的指令并且结合从发动机系统的传感器(诸如上面参考图1和图2描述的传感器)接收的信号由控制器执行。根据下面描述的方法，控制器可以应用发动机系统的发动机制动器来调节发动机运转。
在302处，AC电压的低值(峰值)可以被加载到UEGO(氧)传感器的加压室和能斯特室中的每个。在定期的氧估计操作之间，AC电压加载可以伺机地和/或周期性地进行。AC电压加载的周期可以基于行驶周期正时、实施可变参考电压加载的次数、自上次测量以来行进的阈值距离和/或阈值时间中的一个或多个。加压室可以包括一对加压电极和电解质层(诸如图2中的电解质层201和加压电极对212和214)。另外，能斯特室可以包括一对电极和电解质层(诸如电解质层203以及电极216和218)。在等式1中示出了加载到传感器的AC电压的示例。
V(t)＝Vpeak·sin(ωt) (1)
其中，V(t)是AC电压，Vpeak是峰值电压，ω频率，t是时间。第一频率扫描和第二频率扫描可以在加压室和能斯特室的每个中分别被实施。第一频率扫描和第二频率扫描的每个可以通过保持Vpeak恒定，同时逐步改变交流电的频率并且监测对应的交流电来实施。在一个示例中，使用的频率范围在5x106Hz和1Hz之间。
在304处，从加载的AC电压和测量的交流电，可以针对第一频率扫描和第二频率扫描估计加压室的端点阻抗(Zp，n)和能斯特室的端点阻抗(Zn，n)。两个室的阻抗都可以具有实部和虚部。根据因子，诸如各自室的晶界和铂电极，加压室阻抗和能斯特室阻抗可以变化。加压室和能斯特室可以具有不同的几何形状和厚度，因此具有不同的阻抗。在分析期间可以忽略与加压室的布线有关的阻抗部分。将参考图4和5进一步讨论加压室阻抗和能斯特室阻抗。
在306处，程序包括检索从前次频率扫描中估计的端点阻抗值。在当前估计中使用的峰值电压和频率范围可以与前次估计期间使用的峰值电压和频率范围相同。加压室阻抗频率扫描和能斯特室阻抗频率扫描的端点阻抗(分别是Zp，n-1和Zn，n-1)可以从控制器的存储器中检索。在当前频率扫描和前次频率扫描之间，UEGO传感器可能已经被用于氧估计。由于在氧估计期间可变电压的加载和高温，在加压室和能斯特室的每个中可能存在热老化(也被称为去晶粒效应)。室热老化的主要原因是加热。由于加压室接近加热元件，所以与能斯特室相比，加压室可以经历更大程度的热老化。或者说，根据室的特性，与能斯特室相比，能斯特室可以经历更大程度的热老化。另外，元件变黑可以由于暴露于高电压而在加压室中发生。变黑可以由于存在于加压室的电极中的氧化锆(ZrO2)材料变成了锆(Zr)而发生。在加压室电极上可以观察到金属Zr的暗色累积，这被称为变黑。随着时间和使用，热老化和变黑效应可以进一步恶化。
在308处，控制器可以将加压室的当前阻抗值(如在304处确定的Zp，n)和能斯特室的当前阻抗值(如在304处确定的Zn，n)与前次估计的对应的加压室阻抗值(如在306处检索的Zp，n-1)和能斯特室阻抗值(如在306处检索的Zn，n-1)相比较。根据当前加载电压之后监测的加压室和能斯特室的每个的阻抗变化相对于在紧接的前次加载电压之后监测的加压室和能斯特室的每个的阻抗变化(在两者之间没有频率扫描)，可以区分热老化和变黑。对于加压室，Zp，n和Zp，n-1之间的差可以被估计。类似地，对于能斯特室，Zn，n和Zn，n-1之间的差可以被估计。在310处，程序确定在加压室和能斯特室的每个内是否存在阻抗降低。如果加压室阻抗和能斯特室阻抗的每个的当前测量和前次测量之间的阻抗差(如在308处确定的)为负，则可以推测在加压室和能斯特室的每个内存在阻抗降低。在一个示例中，如果加压室和能斯特室的当前测量和前次测量之间的阻抗差(如在308处确定的)高于阻抗阈值，可以指示热老化的存在。阻抗阈值可以是恒定值或可以取决于在紧接的前次频率扫描时估计的阻抗值(例如，是在紧接的前次频率扫描时估计的阻抗值的函数)。在另一个示例中，热老化的指示可以基于第一频率扫描和第二频率扫描的每个的端点阻抗分别低于第一阈值阻抗和第二阈值阻抗。第一阈值阻抗和第二阈值阻抗可以基于在对加压室和能斯特室的每个的前次加载电压之后的第一频率扫描和第二频率扫描的每个的端点阻抗。
如果在310处确定加压室和能斯特室的每个的阻抗降低，那么在312处，可以推测并且指示在加压室和能斯特室的每个中存在热老化效应。在加压室和能斯特室的每个内的热老化效应(老化的程度)可以不同。Zp，n和Zp，n-1以及Zn，n和Zn，n-1之间的差值可以分别给出加压室和能斯特室中的热老化程度的估计。通过设定诊断代码或标记可以将热老化程度指示给使用者。
在314处，根据加压室和能斯特室的每个内的热老化效应的检测，可以更新用于UEGO传感器的热老化补偿因子。该补偿因子将解释使用传感器进行氧估计时由于热老化效应而出现的任何不准确。随着热老化的增加，该补偿因子可以被调节(增加)以确保准确的氧估计。在316处，在由UEGO传感器进行进一步的氧估计期间，更新的补偿因子可以被利用。在这种方式中，即使存在热老化效应，氧估计也可以由UEGO传感器准确地执行。
如果在310处，确定在加压室和能斯特室的每个内不存在阻抗降低，则在318处，可以推测热老化(去晶粒)过程已经稳定。随着一段时间的使用之后，加压室和能斯特室的每个可以去晶粒并且由此热老化可以稳定。由于加压室和能斯特室中每个经历不同的热老化，所以两个室中每个的阻抗可以以不同的速率稳定。在一个示例中，能斯特室中的热老化可以在加压室的热老化之前稳定，这是由于它们距离加热元件不同的空间距离。一旦热老化效应已经稳定，由UEGO传感器使用的用于氧估计的补偿因子可以在UEGO传感器的进一步操作期间保持恒定。
在320处，该程序包括对UEGO传感器的加压室和能斯特室的每个加载AC电压。在这个阶段加载的AC电压的峰值可以等于或高于在302加载到室的AC电压的峰值。通过保持Vpeak恒定，可以对两个室中的每个实施频率扫描，并且可以检测对应的交流电流。在一个示例中，使用的频率范围可以在5×106Hz和1Hz之间。在322处，通过加载的AC电压和测量的交流电流，加压室的阻抗(Zp，n+1)和能斯特室的阻抗(Zn，n+1)(频率扫描的端点)可以被估计。如之前描述的，两室的阻抗可以具有实部和虚部。在324处，该程序包括检索从前次频率扫描估计的阻抗值。前次频率扫描可以已经指示两个室中的每个的热老化的稳定。加压室阻抗和能斯特室阻抗(分别为Zp，n和Zn，n)可以从控制器的存储器中检索。在当前频率扫描和前次频率扫描之间，UEGO传感器可能已经被用于氧估计，进而引起由于变黑导致的进一步劣化。
在326处，控制器可以将加压室的当前阻抗值(如在322处确定的Zp，n+1)和能斯特室的当前阻抗值(如在322处确定的Zn，n+1)与加压室的前次估计的对应的阻抗值(如在304处确定的Zp，n)和能斯特室的前次估计的对应的阻抗值(如在304处确定的Zn，n)进行比较。对于加压室，Zp，n+1和Zp，n之间的差可以被估计。类似地，对于能斯特室，Zn，n+1和Zn，n之间的差可以被估计。在328处，该程序确定在加压室阻抗中是否存在高于阈值的下降，同时在能斯特室阻抗中是否存在低于阈值的下降(例如，能斯特室阻抗可以保持基本上恒定)。与能斯特室相比，加压室更容易受到氧估计期间加载到其上的高参考电压的影响。因此，变黑更有可能发生在加压室中。由于加压室变黑，在加载AC电压的情况下，可以观察到加压室阻抗的显著下降，而加载相等的电压时在能斯特室电压中不会有任何变化。在一个示例中，如果加压室的当前测量和前次测量之间的阻抗差(如在326处确定的)高于阈值，并且能斯特室的当前测量和前次测量之间的阻抗差低于阻抗阈值，则可以指示在加压室中存在变黑。加压室和能斯特室的每个的阻抗阈值可以是恒定值或可以取决于通过对两个室的每个进行的前次频率扫描估计的阻抗值。加压室阻抗下降的量级(频率扫描的端点的转变)可以指示已经在加压室中发生的变黑的程度。
如果没有观察到加压室阻抗的显著差，则在330处，控制器可以指示UEGO元件还没有受变黑的影响。在这种情况下，UEGO传感器的功能可以不会由于变黑而损害。根据UEGO元件还没有变黑的指示，在332处，传感器可以继续估计氧并且正常地运转。
如果在328处确定在加压室阻抗中存在显著下降并且对应的能斯特室阻抗没有变化，则在334处可以推测并且指示UEGO元件已经变黑。响应于变黑的检测，可以设定标记或诊断代码。由于高电压的重复加载并且存在高温，ZrO2可以已经转换为Zr，造成暗的金属Zr元素累积在加压室电极上。变黑是UEGO传感器劣化的一种形式，并且可以影响传感器的氧估计能力。另外，故障指示器灯可以被激活，以提醒车辆操作者UEGO传感器被劣化并且可能需要更换。
响应于UEGO元件变黑的检测，在336处，控制器可以限制(降低)在进一步传感器运转中使用的目标电压和参考电压的变化率。通过限制造成变黑的这些条件，可以避免对加压室的进一步损坏。另外，考虑到热老化和变黑效应两者，可以在氧估计期间使用补偿因子。
以此方式，可以使用AC电压并且估计加压室和能斯特室的每个的对应的阻抗以检测由变黑造成的UEGO传感器劣化。并且，使用这种方法可以区分热老化效应和加压室变黑。
图4示出UEGO传感器中加压室阻抗随着用于多个频率扫描的AC电压的加载变化的示例曲线图400。控制器可以通过监测加压室的阻抗的变化来检测UEGO传感器的变黑。当UEGO传感器处于新条件下并且还未用于氧估计时(例如，在安装之后不久)，交流电(AC)电压可以被加载到UEGO传感器的加压室。相应的电流可以被记录并且阻抗可以从加载的AC电压和测量的电流中估计。这种测量可以在制造工厂处被实施。通过保持电压和时间不变并且改变AC电压的振荡频率可以实施频率扫描。针对每个频率值，可以测量电流并且可以估计阻抗。阻抗可以具有实部和虚部。在这个示例中，x轴指示阻抗的实部(Z1)并且y轴指示阻抗的虚部(Z2)。
曲线402示出了对新的UEGO传感器的加压室执行的第一频率扫描的阻抗估计。根据加压室中有助于阻抗的部分，阻抗曲线可以被分成三段S1、S2和S3。第一段S1可以对应于由于加压室的布线造成的自感并且由此在分析和加压室变黑检测期间不考虑这部分曲线。第二段S2可以对应于由于加压室的晶界造成的阻抗。加压室中的热老化与去晶粒效应相关，由此这部分曲线可以示出由于热老化引起的变化。另外，通过监测晶界阻抗的变化可以检测元件变黑。第三段S3可以对应于与加压室的铂电极(诸如图2中示出的电极212和电极212)相关的阻抗。这段中的阻抗可以不会由于热老化和/或变黑效应而明显变化。曲线402的端点(实阻抗的最大值)可以由R1指示。
一旦UEGO传感器启动运转并且估计氧，为了检测热老化和/或变黑效应，就可以周期性地和/或伺机地重复AC电压加载过程。在这个示例中，在UEGO传感器运转之后的十分钟，AC电压可以被加载到加压室，并且可以测量相应的电流。相应的阻抗可以被估计并且被示出在曲线404中。曲线404的端点(实阻抗的最大值)可以由R2指示。可以从曲线402和404观察到，与曲线402的第二段相比，曲线404的第二段较小。并且从点R1和点R2的位置，我们可以观察到真实阻抗的最大值的转变。由此，可以推测在使用十分钟之后由于热老化效应存在晶界阻抗的下降。
之后，多个频率扫描可以被周期性地实施并且对应的阻抗估计可以被记录，用于检测热老化和由于变黑造成的传感器劣化。在这个示例中，从UEGO传感器启动运转起十五分钟、二十分钟、二十五分钟、三十分钟、四十五分钟和一个小时之后实施频率扫描。相应的阻抗估计被记录。曲线406和曲线408分别示出针对从启动起30分钟和一个小时之后实施的频率扫描估计的阻抗。可以观察到在每条曲线中晶界区域的阻抗降低。阻抗的一致性下降可以归因于在UEGO传感器的加压室中发生热老化效应。
为了清楚起见，之前所述的其他频率扫描的曲线没有包括在该图中。随着使用和时间的推移，图中未示出的阻抗估计遵循晶界阻抗下降的趋势。每次加载到加压室的AC电压可以具有相同的量级(相同的峰值电压和rms电压)。热老化对UEGO传感器进行氧估计的效应可以通过使用补偿因子来调节。该补偿因子可以解释在使用传感器进行氧估计时由于热老化效应而出现的任何不准确。
车辆控制器可以继续进行以下过程：周期性地加载AC电压、实施频率扫描、测量AC并且估计阻抗，直到不再观察到晶界阻抗的进一步变化。在这个示例中，曲线410示出在传感器启动之后的十七个小时所实施的频率扫描。曲线410的端点(实阻抗的最大值)可以由R3指示。当将曲线410与之前的频率扫描曲线(402、404、406和408)比较时，可以观察到随着使用和时间的推移，存在晶界阻抗的一致性下降。与之前频率扫描期间记录的之前的最大实阻抗值(R1和R2)相比，最大实阻抗值R3较低。阻抗的这种连续下降可以是由于在加压室中发生的热老化。因此，可以推测在使用十七小时之后由于热老化效应晶界阻抗继续下降。
在这个示例中，从UEGO传感器运转启动起的十八个小时之后实施频率扫描，其中使用了同之前所述的频率扫描期间使用的峰值AC电压值相同的峰值AC电压值。相应的阻抗可以根据加载电压之后测量的AC计算并且被示出在曲线412中。可以观察到在最后一次频率扫描之后阻抗中没有观察到明显变化。并且实阻抗的最大值(曲线412的端点)可以与针对UEGO传感器运转启动之后的十七个小时所实施的前次测量(曲线410)估计的实阻抗的最大值(R3)一致。根据从连续曲线观察到的晶界阻抗的一致性，可以推测出由于反复加热造成的去晶粒已经在加压室中发生。去晶粒效应的结果是不会观察到由于热老化效应而导致的阻抗的进一步变化。基于这一点，可以确定由于热老化效应导致的阻抗变化已经稳定，并且如果观察到阻抗的任何进一步变化(加载电压后)，那么原因可能归因于其他因素，诸如加压室中存在变黑。
在热老化过程的稳定之后，为了检测存在变黑，控制器可以对加压室加载具有更高峰值电压值的AC电压，并且实施频率扫描。相应的AC被测量，并且估计的阻抗在曲线414中被示出。阻抗的最大值(曲线410的端点)可以由R3指示。当与之前的阻抗估计曲线412相比时，可以从曲线414中观察到晶界阻抗的显著下降。从R4相比于R3的转变中可以观察到最大实阻抗值也有明显降低。从晶界阻抗和最大阻抗值的这种明显下降，可以推测出在加压室中已经发生变黑。变黑的程度，即，累积在加压室电极上的暗色金属Zr的量可以从频率扫描的端点阻抗的变化程度估计。在这个示例中，端点阻抗R4和R3之间的阻抗差可以被用作变黑的定量估计。响应于UEGO元件变黑的检测，控制器可以限制在未来传感器运转中使用的目标电压和用于参考电压的变化率。通过限制造成变黑的这些条件，可以避免加压室的进一步损坏。另外，当检测UEGO元件变黑时，可以设定诊断代码和/或标记。以此方式，通过监测加压室中阻抗的变化，可以区分并且检测UEGO传感器加压室中的热老化和变黑效应中的每个。
图5示出UEGO传感器中能斯特室阻抗随着用于多个频率扫描的AC电压的加载变化的示例曲线图500。通过监测能斯特室中的阻抗变化可以检测UEGO传感器中的热老化。当该传感器处于新条件下并且还未用于氧估计时，交流电(AC)电压可以被加载到UEGO传感器的能斯特室。根据加载的AC电压和测量的AC，相应的电流可以被记录并且阻抗可以被估计。这种测量可以在制造工厂处被实施。通过保持电压和时间不变并且改变AC电压的振荡频率，可以实施频率扫描。针对每个频率值，可以测量电流并且可以估计阻抗。阻抗可以具有实部和虚部。在这个示例中，x轴指示阻抗的实部(Z1)并且y轴指示阻抗的虚部(Z2)。
通过在新的UEGO传感器的能斯特室中实施的第一频率扫描估计的阻抗被曲线502示出。曲线502的端点阻抗(实阻抗的最大值)可以由I1指示。一旦UEGO传感器启动运转并且开始估计氧，则AC电压加载的过程就可以周期性地或伺机地重复以便检测热老化和/或变黑效应。在这个示例中，又一次在UEGO传感器运转后的十分钟，AC电压可以被加载到能斯特室，并且相应的电流可以被测量。相应的阻抗可以被估计并且以曲线504表示。曲线504的端点阻抗(实阻抗的最大值)可以由I2指示。从曲线402和曲线404，尤其是从点I1和I2的位置可以观察到实阻抗的最大值的转变。由此，可以推测在使用十分钟之后，由于热老化效应，存在能斯特室阻抗的下降。
之后，可以周期性地实施多个频率扫描并且对应的阻抗估计可以被记录用于热老化的检测。在这个示例中，从UEGO传感器启动运转起的十五分钟、二十分钟、二十五分钟、三十分钟、四十五分钟和一个小时之后实施频率扫描。相应的阻抗估计被记录。曲线506和曲线508分别示出针对从启动起的30分钟和一个小时之后实施的频率扫描估计的阻抗。可以观察到在每条曲线中，阻抗的最大值下降。阻抗的一致性下降可以归因于UEGO传感器的能斯特室中发生的热老化效应。
为了清楚起见，来自其他频率扫描的曲线没有包括在该图中。随着使用和时间的推移，图中未示出的阻抗估计遵循最大阻抗下降的趋势。每次加载到能斯特室的AC电压可以具有相同的量级(相同的峰值电压和rms电压)。热老化对UEGO传感器进行氧估计的效应可以通过使用补偿因子来调节。该补偿因子可以解释在使用传感器进行氧估计时由于热老化效应而出现的任何不准确。
车辆控制器可以继续进行以下过程：加载AC电压、实施频率扫描、测量AC并且估计阻抗，直到不再观察到能斯特室的最大阻抗进一步变化为止。在这个示例中，曲线510示出在传感器启动后的十七个小时所实施的频率扫描。曲线510的端点阻抗(实阻抗的最大值)可以由R3指示。通过将曲线510与之前的频率扫描曲线(502、504、506和508)比较，可以观察到随着使用和时间的推移，存在阻抗的一致性下降。与之前记录的最大实阻抗值(I1和I2)相比，最大实阻抗值I3较低。阻抗的这种下降可以是由于在加压室中发生热老化的原因。因此，可以推测在使用十七小时之后由于热老化效应，阻抗最大值继续下降。在一个示例中，在能斯特室中观察到的阻抗最大值的降低可以低于在相同测量条件下对加压室观察到的阻抗最大值(如图4所示)的相应降低。这可以由于两个室的每个经历的热老化程度不同。由于两个室距离加热元件的空间距离不同，所以可以出现热老化程度的不同。
在这个示例中，在从UEGO传感器运转启动起的十八个小时之后实施了频率扫描，其中使用了同之前所述的频率扫描期间使用的峰值AC电压值相同的峰值AC电压值。相应的阻抗可以根据加载电压之后测量的AC计算并且被示出在曲线512中。可以观察到在最后一次频率扫描之后没有在阻抗中观察到明显变化。并且实阻抗的最大值(曲线512的端点)可以与针对UEGO传感器运转启动之后的十七个小时所实施的前次测量(曲线510)估计的实阻抗的最大值(I3)一致。根据从连续曲线观察到的阻抗下降的一致性，可以推测出由于反复加热造成的去晶粒已经在能斯特室中发生。去晶粒效应的结果是不会观察到由于热老化效应导致的阻抗的进一步变化。基于这一点，可以确定由于热老化效应导致的阻抗变化已经稳定。
在热老化过程的稳定之后，为了确认在相同的UEGO传感器的加压室中存在变黑，控制器可以对能斯特室加载具有更高峰值电压值的AC电压，并且实施频率扫描。在UEGO传感器运转期间，高的参考电压没有被加载到能斯特室，由此能斯特室电极变黑的可能性可以是低的。相应的AC被测量，并且估计的阻抗在曲线514中被示出。当与最近的两次频率扫描(曲线512和510)相比时，可以观察到阻抗没有明显的变化。并且实阻抗的最大值(曲线514的端点)可以与针对之前测量(曲线512和510)估计的实阻抗的最大值(I3)一致。以此方式，如果在相同的测量条件下，在加压室中观察到阻抗的显著下降而在能斯特室中没有观察到阻抗变化，那么可以确认加压室中发生了变黑。
图6示出示例操作顺序600，其说明了基于加压室阻抗变化和能斯特室阻抗变化检测UEGO传感器的热老化和变黑效应。水平轴(x轴)指示时间并且垂直标记t1-t7标识检测过程中的重要时刻。
第一曲线(线602)指示被加载到加压室和能斯特室中的每个的峰值交流电(AC)电压。较低的峰值电压由V1表示，并且较高的峰值电压由V2表示。根据AC电流可以估计相应的阻抗。第二曲线(线604)示出在UEGO传感器的加压室中估计的阻抗的最大值。三个重要的加压室阻抗值分别由虚线Z_P1、Z_P2和Z_P3示出。第三曲线(线606)示出在UEGO传感器的能斯特室中估计的阻抗的最大值。两个重要的能斯特室阻抗值分别由虚线Z_N1和Z_N2示出。在第四曲线和最后的曲线中，线608和线610代表表示在UEGO传感器中检测到热老化和变黑效应的标记。
在时刻t1之前，峰值V1的交流电(AC)电压可以被加载到UEGO传感器的加压室和能斯特室中的每个。每个室的相应的电流可以被记录，并且根据加载的AC电压和测量的AC可以估计阻抗。当UEGO在制造工厂是新的时，这种测量可以被实施。通过保持峰值电压和时间不变并且改变AC电压的振荡的频率，可以实施频率扫描。根据针对加压室和能斯特室中的每个加载的AC电压和测量的电流估计的阻抗的最大值可以分别从曲线604和曲线606看见。加压室和能斯特室的最大阻抗值分别由虚线Z_P1和Z_N1示出。两个室的每个的阻抗值(Z_P1和Z_N1)被存储在控制器的存储器中。加载AC电压和相应的阻抗估计可以继续，直到时刻t1为止。
在时刻t1和t2之间，车辆中的控制器可以在相同条件下继续多次进行以下过程：加载AC电压(峰值电压值V1)、实施频率扫描、测量AC和估计阻抗。每一次，估计两个室中每个的阻抗，将该值与来自前次测量的阻抗值比较。在时刻t2之前，在UEGO传感器中没有检测到热老化和变黑中的任何一种，因此标记被维持在OFF位置。
在时刻t2和t3之间，AC电压(峰值V1)可以被加载到加压室和能斯特室中的每个，并且阻抗的相应最大值可以被估计。在这个时刻，加压室和能斯特室的最大阻抗值分别由虚线Z_P2和Z_N2示出。当将当前加压室阻抗和能斯特室阻抗的值(Z_P2和Z_N2)分别与之前测量的值Z_P1和Z_N1比较时，可以观察到两个室中的每个的阻抗下降。阻抗下降可以归因于热老化效应。由于在高温下连续使用，热老化可以发生在加压室和能斯特室的每个当中。根据在加压室和能斯特室的每个中检测到热老化效应，可以设定标记或诊断代码(线608)。另外，在使用UEGO传感器进行氧估计期间，可以使用补偿因子以避免由于热老化造成的估计的任何不准确。
在时刻t3和t4之间，UEGO传感器继续运转用于氧估计。热老化效应的标记可以被维持在ON位置，并且补偿因子可以被使用在UEGO传感器运转期间。
在时刻t4和t5之间，如之前所述，AC电压(峰值为V1)可以被加载到加压室和能斯特室中的每个，并且阻抗的相应最大值可以被估计。在这个时刻期间，可以观察到加压室阻抗和能斯特室阻抗中的每个的最大值分别在Z_P2和Z_N2保持不变。由此，在时刻t2时，可以推测在UEGO传感器中的热老化效应已经稳定。之后，通过对加压室和能斯特室中的每个加载电压，都不能观察到由于热老化效应造成的阻抗的进一步变化。在时刻t5和t6之间，UEGO传感器继续被用于氧估计。在UEGO传感器运转期间，表示热老化的标记可以继续保持在ON位置，并且可以使用补偿因子。
在热老化过程的稳定之后，在时刻t6和t7之间，峰值V2的AC电压可以被加载到加压室和能斯特室的每个。通过保持峰值电压和时间不变，并且通过改变振荡的频率，可以实施频率扫描。峰值V2可以高于在之前热老化检测期间使用的电压的峰值(V1)。较高的电压可以利于更好估计UEGO传感器变黑。在加载峰值V2之后，相应的电流可以被测量并且加压室和能斯特室的每个的最大阻抗值可以被估计。可以观察到在这个时刻，加压室阻抗的最大值显示从Z_P2到Z_P3的明显下降。根据阻抗的这种下降，可以推测出在加压室中已经发生了变黑。然而，在这个时刻，能斯特室阻抗可以在Z_N2处保持恒定。因为在UEGO传感器的运转期间较低的参考电压被加载到能斯特室，所以在能斯特室中发生变黑的可能性低。因此，如果在相同的测量条件下，在加压室中观察到阻抗的显著下降而在能斯特室中没有观察到阻抗的变化，可以确认加压室中发生了变黑。
响应于UEGO元件变黑的检测，用于变黑检测的标记或诊断代码被设置到ON位置(线610)。另外，控制器可以在未来的传感器运转中限制使用的目标电压和电压变化率。通过限制引起变黑的这些条件，可以避免加压室的进一步损坏。热老化标记(线608)也可以被维持在ON位置。在氧估计期间，考虑到热老化和变黑效应两者，可以使用补偿因子。
用于发动机的一种示例方法包含在电压加载之后，基于监测到的氧传感器的加压室和能斯特室中每个的阻抗的变化，区分氧传感器元件的热老化和变黑。在前述示例中，额外地或可选地，电压是交流电压。在任一或所有前述示例中，基于监测到的变化进行区分额外地或可选地包括基于在当前电压加载之后监测到相对于前次电压加载之后监测到的加压室和能斯特室中的每个的阻抗变化的变化来进行区分。在任一或所有前述示例中，额外地或可选地，该区分包括响应于监测到加压室和能斯特室的每个的阻抗变化高于阈值来指示热老化；并且包括响应于监测到的加压室的阻抗变化高于阈值而且监测到的能斯特室的阻抗变化低于阈值来指示变黑。在任一或所有前述示例中，额外地或可选地，该阈值是恒定值和基于在之前的电压加载之后的阻抗的值中的一个。在任一或所有前述示例中，额外地或可选地，指示变黑进一步包括基于在之前的电压加载之后加压室阻抗的变化指示变黑的水平。任一或所有前述示例额外地或可选地进一步包含基于变黑的指示降低氧传感器的一个或多个运转参数，其中运转参数包括参考电压和电压变化率的一个或多个。任一或所有前述示例额外地或可选地进一步包括响应于热老化的指示，调节用于氧估计的补偿因子。在任一或所有前述示例中，额外地或可选地，该区分包括基于在电压加载到加压室之后生成的频率扫描的端点阻抗来区分，并且基于端点阻抗低于阈值阻抗指示氧传感器的变黑。在任一或所有前述示例中，额外地或可选地，阈值阻抗基于之前将电压加载到加压室之后频率扫描的端点。
另一种示例方法包括周期性地将交流电压加载到氧传感器的加压室和能斯特室的每个；针对加压室和能斯特室的每个生成频率扫描，包括阻抗根据加载的电压变化；基于针对加压室和能斯特室的每个的频率扫描的端点指示变黑。在前述示例中，额外地或可选地，周期性加载电压包括在每个驱动周期，在行进阈值距离之后或自之前加载之后经过阈值时间周期之后，加载一次交流电压。在任一或所有前述示例中，额外地或可选地，频率扫描包括将交流电压加载到加压室和能斯特室的每个，同时保持峰值电压不变；逐步地改变交流电压的频率；在交流电压加载之后测量加压电流；并且基于加载的电压和测量的加压电流计算加压室和能斯特室的每个的阻抗。在任一或所有的前述示例中，额外地或可选地，频率扫描包括在交流电压加载之后针对加压室的第一频率扫描和交流电压的加载之后针对能斯特室的第二频率扫描。任一或所有前述示例额外地或可选地进一步包括基于第一频率扫描和第二频率扫描的每个的端点阻抗分别低于第一阈值阻抗和第二阈值阻抗来指示热老化，并且基于第一频率扫描的端点阻抗低于第一阈值阻抗并且第二频率扫描的端点阻抗等于第二阈值阻抗来指示变黑。在任一或所有的前述示例中，附加地或额外地，第一阈值阻抗和第二阈值阻抗基于之前将电压加载到加压室和能斯特室的每个之后第一频率扫描和第二频率扫描的每个的端点。任一或所有的前述示例附加地或可选地进一步包括响应于热老化的指示，调节用于氧估计的补偿因子；并且响应于变黑的指示，降低包括氧传感器的参考电压和电压变化率的运转参数。
在另一个示例中，车辆发动机包括发动机，该发动机包括进气和排气；耦接到发动机排气的氧传感器和控制器，该氧传感器包括加压室和能斯特室；以及控制器，该控制器具有存储在非临时存储器上的计算机可读指令，该计算机可读指令用于：对加压室和能斯特室的每个加载电压；获知加压室和能斯特室的每个的阻抗轮廓线：并且响应于加压室的电压的两次连续加载之间的阻抗轮廓线的变化指示氧传感器中的变黑。在前述示例中，额外地或可选地，加压室的阻抗轮廓线包括第一段、第二段和第三段中的每个，其中所述第一段基于加压室布线的阻抗，第二段基于加压室晶界的阻抗，并且第三段基于加压室电极的阻抗。在任一或所有的前述示例中，额外地或可选地，变黑的指示基于阻抗轮廓线的第二段的阻抗变化遵循之前测量的阻抗轮廓线的第二段。
进一步的示例方法包括在氧传感器的运转的第一模式中：将排气从内燃发动机流到第一腔体内，该第一腔体一侧由氧化锆层形成并且另一侧由陶瓷层形成，该陶瓷层被定位在第一腔体和包含参考气体的第二腔体之间；将第一电压加载在氧化锆层两端以在第一腔体和排气之间泵浦氧离子；将第二电压加载在陶瓷层两端，当第二电压到达阈值时限制第一电压；并且在氧传感器的运转的第二模式中，通过比较锆层的阻抗变化和陶瓷层的阻抗变化，检测一部分氧化锆层分解成锆。在前述的示例中，额外地或可选地，陶瓷层是第一陶瓷层，并且其中氧传感器进一步包括加压室和能斯特室，该加压室包含第一陶瓷层和连接到电压源的第一电极对，该能斯特室包含第二陶瓷层和连接到电压源的第二电极对，其中第一电极对和第二电极对的每个包含氧化锆层。在任一或所有的前述示例中，额外地或可选地，运转的第二模式包括对加压室和能斯特室的每个周期性地加载交流电压，针对加压室和能斯特室的每个生成频率扫描，其中包括阻抗根据周期加载的电压变化，并且基于针对加压室和能斯特室的每个的频率扫描的端点来指示一部分氧化锆分解成锆。任一或所有的前述示例额外地或可选地进一步包括响应于一部分氧化锆分解成锆的指示，降低氧传感器的参考电压和电压变化率的一个或多个。
以此方式，通过监测加压室和能斯特室的每个的阻抗变化，可以检测到在氧(诸如UEGO)传感器中的热老化效应和元件变黑。使用这种方法可以区分热老化效应和氧传感器变黑。区分氧传感器中的热老化效应和元件变黑的技术效果是可以对每个效应应用相应的纠正措施。因此，在传感器老化时，通过使用适当的纠正因子来补偿热老化效应，可以维持氧估计的准确度。一旦检测到元件变黑，由变黑对传感器造成的进一步损坏可以通过采取预防措施来限制，诸如在氧估计期间使用较低的目标电压和针对参考电压的加载采用保守的变化率。通过有效地检测氧传感器中的热老化和变黑，氧传感器运转的精度和可靠性被保持，而对发动机运转没有任何影响。
注意，本文中包括的示例控制和估计程序能够与各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。在本文中所公开的控制方法和程序可以作为可执行指令存储在非临时性存储器中，并且由包括控制器的控制系统结合相应的传感器、致动器、和其他发动机硬件来实现。在本文中所描述的具体程序可以代表任意数量的处理策略中的一个或多个，诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，所描述的各种动作、操作或功能可以所示顺序、并行地被执行，或者在一些情况下被省略。同样，所述处理顺序不是实现本文描述的示例实施例的特征和优点所必须的，而是为了便于图示和说明而提供。取决于所使用的特定策略，所示出的动作、操作或功能中的一个或多个可以被重复执行。另外，所描述的动作、操作和/或功能可以图形地表示被编程到发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非临时性存储器的代码，其中通过结合电子控制器执行包括各种发动机硬件部件的系统中的指令，实现所描述的动作。
应当理解，本文公开的配置和方法本质上是示例性的，并且这些具体实施例并不被认为是限制性的，因为多种变化是可能的。例如，以上技术可以被应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸以及其它发动机类型。本公开的主题包括本文公开的各种系统和配置以及其他特征、功能和/或特性的所有新颖且非显而易见的组合和子组合。
随附的权利要求具体指出被认为新颖且非显而易见的某些组合及子组合。这些权利要求可能提到“一个/一”元件或“第一”元件或其等价物。这些权利要求应当被理解为包含一个或多个这种元件的组合，既不要求也不排除两个或更多个这种元件。所公开的特征、功能、元件和/或特性的其它组合和子组合可以通过修改本权利要求来要求保护，或者通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来请求保护。这些权利要求，不管在范围上比原权利要求更宽、更窄、相同或不同，都认为被包含在本公开的主题内。

Claims (20)

1.一种用于发动机的方法，包括：
在加载电压之后基于监测到氧传感器的加压室和能斯特室的每个的阻抗变化，区分氧传感器元件的热老化和变黑。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电压是交流电压。
3.根据权利要求1所述的方法，其中基于监测到的所述变化进行区分包括基于在所述电压的当前加载之后监测到的变化相对于所述电压的之前加载之后所述加压室和所述能斯特室的每个的阻抗的检测到的变化进行区分。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述区分包括：
响应于所述加压室和所述能斯特室中每个的监测到的所述阻抗变化高于阈值指示热老化；并且
响应于所述加压室的监测到的所述阻抗变化高于所述阈值同时所述能斯特室的检测到的所述阻抗变化低于所述阈值指示变黑。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述阈值是恒定值和基于所述电压的之前加载之后的所述阻抗的值中的一个。
6.根据权利要求4所述的方法，其中指示变黑进一步包括基于在电压的所述之前加载之后加压室的阻抗变化指示变黑的水平。
7.根据权利要求4所述的方法，进一步包括响应于变黑的所述指示降低所述氧传感器的一个或多个运转参数，其中所述运转参数包括参考电压和电压变化率的一个或多个，并且响应于热老化的所述指示，调节用于氧估计的补偿因子。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述区分包括基于在对所述加压室加载所述电压之后生成的频率扫描的端点阻抗进行区分，并且基于所述端点阻抗低于阈值阻抗指示所述氧传感器的变黑。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述阈值阻抗基于之前对所述加压室施加所述电压之后的所述频率扫描的所述端点。
10.一种用于发动机的方法，包括：
对氧传感器的加压室和能斯特室中的每个周期性地加载交流电压；
针对所述加压室和所述能斯特室中的每个生成频率扫描，其中包含阻抗根据加载的电压变化；
基于所述加压室和所述感应室的每个的所述频率扫描的端点指示变黑。
11.根据权利要求10所述的方法，其中周期性地加载电压包括每个驱动循环加载一次交流电压，在行进阈值距离后或者自之前加载后经过阈值时间周期后加载交流电压。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述频率扫描包括对所述加压室和所述能斯特室的每个加载所述交流电压，同时保持峰值电压不变；
逐渐地改变所述交流电压的频率；
在加载所述交流电压之后测量加压电流；并且
根据加载的所述电压和测量的所述加压电流计算所述加压室和所述能斯特室的每个的所述阻抗。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述频率扫描包括在加载所述交流电压之后针对所述加压室的第一频率扫描和在加载所述交流电压之后针对所述能斯特室的第二频率扫描。
14.根据权利要求10所述的方法，进一步包括基于所述第一频率扫描和第二频率扫描的每个的端点阻抗分别低于第一阈值阻抗和第二阈值阻抗指示热老化，并且基于所述第一频率扫描的端点阻抗低于所述第一阈值阻抗并且所述第二频率扫描的所述端点阻抗等于所述第二阈值阻抗指示变黑。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一阈值阻抗和所述第二阈值阻抗基于在之前对所述加压室和所述能斯特室的每个加载所述电压之后所述第一频率扫描和第二频率扫描的每个的所述端点。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括响应于所述热老化的指示，调节用于氧估计的补偿因子；并且响应于所述变黑的指示，降低运转参数，所述运转参数包括所述氧传感器的参考电压和电压变化率。
17.一种方法，包括：
在氧传感器的运转的第一模式中：将排气从内燃发动机流到第一腔体内，所述第一腔体一侧由氧化锆层形成并且另一侧由陶瓷层形成，所述陶瓷层被定位在所述第一腔体和包含参考气体的第二腔体之间；将第一电压加载在所述氧化锆层两侧以在所述第一腔体和所述排气之间泵浦氧离子；将第二电压加载在所述陶瓷层两侧，当所述第二电压到达阈值时，限制所述第一电压；并且
在所述氧传感器的运转的第二模式中，通过比较所述锆层的阻抗变化与所述陶瓷层的阻抗变化，检测所述氧化锆层的一部分分解成锆。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述陶瓷层是第一陶瓷层，并且其中所述氧传感器进一步包括加压室和能斯特室，所述加压室包含所述第一陶瓷层和连接到电压源的第一电极对，所述能斯特室包含第二陶瓷层和连接到所述电压源的第二电极对，其中所述第一电极对和所述第二电极对的每个包含氧化锆层。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述运转的第二模式包括对所述加压室和所述能斯特室的每个周期性地加载交流电压，针对所述加压室和所述能斯特室的每个生成频率扫描，其中包括阻抗根据周期性加载的电压而变化，并且基于针对所述加压室和所述能斯特室的每个的所述频率扫描的端点来指示一部分氧化锆分解成锆。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括响应于所述一部分氧化锆分解成锆的所述指示，降低所述氧传感器的参考电压和电压变化率的一个或多个。
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